無線通信系統(tǒng)中的IQ正交調(diào)制器的基本原理
?IQ正交調(diào)制器?是一種將基帶信號調(diào)制到射頻載波的設(shè)備，主要用于無線通信系統(tǒng)中。它的核心功能是將基帶信號(即I和Q信號)與載波進行正交調(diào)制，生成所需的射頻信號。
IQ正交調(diào)制器的基本原理
IQ正交調(diào)制器主要由兩部分組成：IQ基帶發(fā)生器和IQ混頻器。IQ基帶發(fā)生器產(chǎn)生I和Q信號，這兩個信號是相位相差90度的正弦波，分別代表“同相”(I)和“正交”(Q)。混頻器則將這些信號與載波信號進行混合，生成最終的射頻信號。通過改變I和Q信號的振幅，可以實現(xiàn)不同的調(diào)制方式，如調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相?12。
IQ正交調(diào)制器的應(yīng)用場景
IQ正交調(diào)制器廣泛應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)中，特別是在直接上變頻(零中頻調(diào)制)中表現(xiàn)優(yōu)異。它被廣泛應(yīng)用于蜂窩移動通信、WLAN、UWB超通信系統(tǒng)、藍牙、GPS等系統(tǒng)中。由于直接上變頻發(fā)射機結(jié)構(gòu)簡單，省去了第二本振、中頻濾波器和混頻器，從而降低了成本、體積和功耗?2。
IQ正交調(diào)制器的優(yōu)缺點
?優(yōu)點?：
?高相位精度?：能夠提供較高的相位精度和幅度平衡，適合高精度的通信需求。
?簡化結(jié)構(gòu)?：在直接上變頻應(yīng)用中，簡化了發(fā)射機結(jié)構(gòu)，降低了成本和功耗。
?缺點?：
?非理想因素?：由于非理想因素(如本振泄漏和邊帶抑制問題)，輸出信號可能產(chǎn)生失真，影響通信質(zhì)量。為了確保通信質(zhì)量，需要對IQ調(diào)制器的射頻性能進行全面測試?2。
通常有：
· 直接上變頻(又稱：零中頻調(diào)制)
· 間接上變頻(又稱：兩級變頻或超外差式)
· 數(shù)字中頻發(fā)射機
標準的IQ正交調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)非常簡單，它分為IQ 基帶發(fā)生器和IQ 混頻器兩大部分。不管是調(diào)幅，調(diào)頻或是調(diào)相信號，只需要通過改變不同的IQ 基帶信號就可以實現(xiàn)。而IQ 調(diào)制器的作用是將基帶IQ 信號搬移到載波上。正交調(diào)制器通常能實現(xiàn)較高的相位精度與幅度平衡，非常適合于通信系統(tǒng)中的直接上變頻(零中頻調(diào)制)，因此廣泛用于直接上變頻發(fā)射機，例如蜂窩移動通信、WLAN、UWB超通信系統(tǒng)、藍牙、GPS 等系統(tǒng)中，是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。
下圖1所示是正交調(diào)制器的框圖，如果用于直接上變頻發(fā)射機，省去了第二本振，中頻濾波器和混頻器，使發(fā)射機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，從而降低了成本、體積和功耗。
圖1. 正交調(diào)制器原理框圖
正交調(diào)制器的固有缺點在于本振泄漏和邊帶抑制(本振泄漏主要是由IQ信號的直流偏置,IQ差分信號的不平衡性以及本振和射頻的隔離指標差等因素造成的)。理想情況下，正交調(diào)制器只是完成基帶頻譜的搬移和疊加，不會造成信號的帶外頻譜增生或是產(chǎn)生帶內(nèi)失真。正交調(diào)制器會不可避免的存在非理想因素，使得輸出信號產(chǎn)生各種失真，影響通信質(zhì)量，所以正交調(diào)制器的射頻性能需要進行全方面的測試。
測試IQ調(diào)制器的鏡像抑制一般采用單邊帶CW信號，輸入的I信號：sinω0t，Q信號：cos?ω0t與正交本振混頻以后可得調(diào)制信號s(t)，其中ω0一般為掃頻信號，從DC附近開始到幾十或幾百兆：
s(t)=sinω0t?cosωct-cosω0t? sinωc t
=sin?(ωc-ω0 )t
如果IQ調(diào)制器完全理想，只會在(ωc-ω0)處產(chǎn)生一個單邊帶信號(單邊帶CW信號)，但是由于調(diào)制器的不理想性，也會在(ωc+ω0)處產(chǎn)生一個鏡像信號。與此同時在本振頻率ωc位置也會有一個信號，稱為本振泄漏。本振和鏡像信號的抑制度是IQ調(diào)制器的重要指標。圖2是一個典型的IQ調(diào)制器的單邊帶CW輸出結(jié)果，載波為10G，IQ信號為30MHz，測試得到鏡像信號的抑制度為42dB。此時采用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生兩路30MHz的sin和cos信號，分別提供給IQ調(diào)制器作為基帶輸入，也可以使用帶有雙源選件的矢網(wǎng)的兩個通道輸出相位差恒定為90度的CW連續(xù)波，用矢網(wǎng)的另一個好處就是,可以實現(xiàn)掃頻模式下的本振和鏡像抑制度的測試。
圖2. 頻譜儀測試矢量信號源的IQ調(diào)制鏡像抑制度
2. 測試任務(wù)
本文采用的正交調(diào)制器待測件是來自ANALOG DEVICES的ADL5371，它的工作頻率范圍：500 MHz～1.5 GHz。下圖3所示，該器件I+，I-，Q+，Q-端口分別為IQ雙路差分基帶輸入，LO為單端本振輸入(LOIN接匹配負載)?；鶐л斎胄枰?00mV的偏置電壓。射頻輸出VOUT為單端50Ω。
圖3. 正交調(diào)制器ADL5371 pin(左)和ADL5371的評估板
測試時，ADL5371的評估板需要輸入0dBm、900MHz的單端本振。IQ雙路差分基帶輸入的正弦波的峰峰值為1.4V，頻率為1MHz，并且?guī)в?00mV的偏置電壓。
測試項目包括：輸出功率;輸出1dB壓縮點;載波饋通;邊帶抑制;正交相位誤差;IQ幅度不平衡性;二次、三次諧波抑制;TOI;基帶到射頻幅頻響應(yīng)。
3. 測試平臺
測試平臺的核心是矢量信號源和信號與頻譜分析儀，如下圖所示。還包括直流電源和萬用表(電壓測量)。ADL5371安裝在評估板Q MOD上。矢量信號源通常配備了差分IQ輸出，可以將基帶IQ以差分信號的形式從后面板的四個BNC接頭輸出。
圖4. 正交調(diào)制器測試平臺
4. 測試結(jié)果
4.1 信號源基本設(shè)置
4.2~4.4的測試項目中信號源設(shè)置如下圖所示，基帶產(chǎn)生1MHz的正弦波，基帶IQ輸出采用差分模式，輸出電壓峰值為0.7V，IQ端口偏置電壓500mV。
圖5. 信號源SMU200A基本設(shè)置
4.2 輸出功率
從圖6的標注M1看出，輸出功率7.86dBm
圖6. 輸出功率測試結(jié)果
4.3 本振泄漏和邊帶抑制、二次諧波和三次諧波
從圖7中D3,D2看出，邊帶抑制-51.5dBc，本振泄漏-57dBc
從圖7中D4,D1看出，二次諧波抑制度為-72dB，三次諧波抑制度為-53dB。
圖7. 輸出功率測試結(jié)果本振泄漏和邊帶抑制、二次諧波和三次諧波測量結(jié)果
4.4 1dB壓縮點
按1dB的步進增大差分IQ輸出的電壓，在頻譜儀上看到輸出功率的增加值小于1dB時就測出了1dB壓縮點，從下圖8中看出，輸出壓縮點為13.8dBm，在信號源上讀取對應(yīng)的輸入IQ功率為1.567V。
圖8. 1dB壓縮點測量結(jié)果
4.5 IQ幅度不平衡性和正交相位誤差
信號源產(chǎn)生1M符號速率的QPSK，IQ輸出的設(shè)置與前面的測試項目相同。使用頻譜儀的矢量信號分析(VSA)解調(diào)，下圖9測試結(jié)果顯示正交相位誤差為0.08度，IQ幅度不平衡性為0.04dB。
圖9. IQ不理想特性測量結(jié)果
4.6 TOI
信號源標配的Multi-Carrier功能產(chǎn)生3.5MHz和4.5MHz的雙音IQ信號，IQ輸出的設(shè)置與前面的測試項目相同，調(diào)整IQ輸入電壓直到雙音信號輸出功率到1.6dBm。利用頻譜儀自帶的TOI功能測得TOI為27.7dBm。
圖10. TOI測量結(jié)果
4.7 基帶到射頻幅頻響應(yīng)
進行幅頻響應(yīng)測試需要用計算機程控信號源步進改變基帶頻偏，頻譜儀的測量跡線采用最大保持功能。從圖11看出，從900MHz到940MHz，該正交調(diào)制器評估板的幅頻響應(yīng)最大值7.8dBm，最小值7.1dBm。需要特別注意的是，上述的幅頻響應(yīng)測量結(jié)果是對ADL5371評估板的測量結(jié)果，如果要得到ADL5371芯片的1dB和0.1dB帶寬，還需對評估板電路的電路特性進行校準并修正。
圖11. 幅頻響應(yīng)測量結(jié)果，采用SMU200A測量(上)與AFQ100B測量(下)
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